La microfluidique est la science de la manipulation des fluides à l'échelle micrométrique. Ce domaine de recherche est aujourd'hui en plein essor et s'inspire de la nature qui maîtrise déjà parfaitement ces techniques.
Le règne végétal
L'arbre répartit la sève dans des millions de capillaires micrométriques, sous un contrôle très rigoureux.
Le règne animal
L'araignée fait fonctionner un microréacteur très sophistiqué permettant de produire le matériau nécessaire pour sa toile.
Dans la cellule, les échanges de matière à travers la membrane sont rigoureusement contrôlés.
La microfluidique est une thématique jeune. Elle a réellement émergé en tant que discipline dans les années 2000. Elle est caractérisée par une croissance explosive des innovations et du nombre de publications. Ces développements sont liés à une forte demande dans les domaines de la science de la vie, la médecine, la chimie et l'environnement.
La microfluidique peut être considérée à la fois comme une science (étude du comportement des fluides dans des microcanaux) et une technologie de fabrication de dispositifs pour les laboratoires sur puces (« lab on chip ») dans le domaine de la physique, de la chimie et de la biologie.
Les systèmes microfluidiques sont des dispositifs qui comportent un ensemble de composants miniaturisés autorisant l'étude et l'analyse d'échantillons chimiques ou biologiques. Véritables « microprocesseurs pour la biologie » ils permettent de remplacer des instruments encombrants et très coûteux. La microfluidique représente pour la biologie et la chimie une révolution semblable à celle apportée par les microprocesseurs à l'électronique et l'informatique.
Depuis une dizaine d'année, l'homme a imité la nature en produisant des objets traversés par des écoulements micrométriques.
Les applications sont multiples. En général, manipuler à l'échelle du micron permet de travailler plus vite, moins cher, dans un environnement plus propre et plus sûr. Les systèmes microfluidiques sont des dispositifs qui comportent un ensemble de composants miniaturisés autorisant l'étude et l'analyse d'échantillons chimiques ou biologiques. Véritables « microprocesseurs pour la biologie », ils permettent de remplacer des instruments encombrants et très coûteux.
Aujourd'hui, le volume d'activité des technologies microfluidiques est estimé à une dizaine de milliards d'euros.
Le nombre d'applications industrielles est considérable : en médecine, dans l'énergie, dans la chimie verte, la cosmétique, l'industrie agro alimentaire...
Quelques exemples
1. La tête d'imprimante à jet d'encre
2. Les micropompes
3. Le laboratoire sur puce pour des systèmes permettant de diagnostiquer la réalité d'une crise cardiaque
4. La puce pour le génotypage
5. Le papier électronique
6. L'écran tactile en relief
7. Le test de grossesse urinaire
8. Test sanguin pour le dépistage du sida
1. La tête d'imprimante à jet d'encre, apparu dans les années 1990, incorpore un réservoir pour l'encre, un élément chauffant pour le mise en mouvement du fluide, et une buse. Aujourd'hui, des dizaines de millions d'imprimantes à jet d'encre utilisent des technologies microfluidiques et des milliards de documents sont écrits et lus grâce à la microfluidique.
L'arrosoir ne contrôle pas les gouttes qu'il forme, alors que la petite tête d'imprimante le fait très bien.
2. Les micropompes permettent d'injecter un produit dans le corps humain. L'efficacité de ce mode d'injection est incomparablement plus grande que par voie orale. La pompe d'injection d'insuline dans le foie, pour le traitement du diabète offre un gain considérable en confort pour le malade.
3. Le laboratoire sur puce pour des systèmes permettant à partir d'une goutte de sang prélevée sur un malade de diagnostiquer la réalité d'une crise cardiaque. Les résultats de l'analyse sont donnés après le traitement sur un micro-ordinateur. Le diagnostic est délivré en 15 minutes, alors que les systèmes traditionnels nécessitaient d'une dizaine d'heures.
4. La puce pour le génotypage permet l'identification d'un objet (par exemple un virus) à partir de séquences caractéristiques de gènes mais aussi l'identification d'ARN et de protéines.
5. Le papier électronique est une technique d'affichage sur support souple, modifiable électroniquement, cherchant à imiter l'apparence d'une feuille imprimée et qui, comme le papier, ne nécessite pas d'énergie pour laisser un texte ou une image affiché.
6. L'écran tactile en relief permet de faire apparaître des touches réelles, physiques qui se modèlent à la demande sur la surface, et puis se rétractent dans l'écran, en laissant derrière eux une surface parfaitement lisse et plate. La commercialisation est prévu pour mi-2013.
7. Bien plus largement répandu autour de nous, le test de grossesse utilisant un échantillon d'urine brut, permet de déterminer avec précision (fiabilité estimée à 99%) la grossesse éventuelle d‟une femme. Facile d'utilisation, ce système miniaturisé analyse en moins d‟une minute l‟échantillon et propose une lecture simple du résultat.
8. Le test sanguin équipé d'une puce électronique, permet désormais de détecter simultanément le virus du sida, la syphilis et une dizaine d'autres maladies infectieuses (hépatites B et C, herpès…). Il suffit de déposer une goutte de sang à l'intérieur du dispositif, enfermé dans un boîtier plastique. Vingt minutes plus tard, les résultats tombent. Il est possible de les lire grâce à un détecteur optique ou même à l'œil nu.
Les technologies développées permettront :
En biologie, de pouvoir traiter un grand nombre d'échantillons, de réaliser des expériences à l'échelle de la cellule et de comprendre les interactions entre les cellules, d'améliorer la précision et la rapidité des diagnostics comme HIV, de réduire les volumes d'expérience...
En chimie, de tester des milliers de réactions, de réaliser des réactions chimiques encapsulées (microfluidique en gouttes)...
En physique, de créer des systèmes automatisés contrôlés, de réaliser des set-up expérimentaux
Aujourd'hui un très grand nombre de sociétés développent la technologie microfluidique. Plus de 250 entreprises et 250 équipes de recherche y travaillent à travers le monde.
Quelques noms de la Microfluidique
George WHITESIDES
George M. Whitesides, né en 1939 aux États-Unis, est Professeur à l'Université de Harvard. On lui doit des contributions majeures dans des domaines très diversifiés tels que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, la chimie organométallique et la synthèse organique biocatalysée.
Ses travaux en microfluidique, en science des matériaux, en chimie des surfaces et en nanotechnologie ont un très fort impact non seulement en chimie, mais également en biologie et en bio-ingénierie.
Takehiko KITAMORI
Professeur Kitamori est vice-président de l'Université de Tokyo, responsable du développement des ressources humaines et de l'internationalisation. Il est également professeur au Département de chimie appliquée.
Ses domaines de recherche sont l'intégration du système chimique sur des micropuces, la spectroscopie laser appliquée à la détection ultrasensible, la chimie analytique et la microfluidique aux échelles submicrométriques.
Andreas MANZ
Andreas Manz, né le 12 décembre 1956, est un chercheur suisse en chimie analytique, ancien directeur du Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (de) (ISAS) et professeur à l'université de Dortmund. Ses activités de recherche concernent les laboratoires sur puce pour l'analyse chimique et les microsystèmes d'analyse totale.
Les concepts physiques de la Microfluidique
Les physiciens ont caractérisé les propriétés qui vont régissent la microfluidique :
La laminarité
La petite taille des canaux supprime les instabilités d'écoulements omniprésents dans les systèmes de taille « ordinaire ».
La capillarité
Dans le « petit monde » les fluides sont assujétis aux forces capillaires.
La mouillabilité
Le comportement des fluides sur une surface dépend énormément de son caractère hydrophile/hydrophobe.
La conduction de la chaleur
Les systèmes microfluidiques évacuent très efficacement la chaleur. L'homogénéisation de la température est aussi très bien réalisée.
Les gros animaux comme la baleine n'ont aucun mal à conserver leur température corporelle sans devoir s'alimenter en permanence pour apporter de l'énergie.
Les touts petits animaux comme la musaraigne pygmée doivent manger perpétuellement pour compenser leurs pertes de chaleur et maintenir leur température aux environs de 35°C.
Les effets électrocinétiques
Comme le champ électrique créé par l'application d'une tension est inversement proportionnel à la distance inter électrodes, il augmente fortement lorsque cette distance diminue.
En utilisant ces 5 grands concepts, on peut créer tous les systèmes microfluidiques imaginables et aboutir ainsi à tout un éventail d'applications utilisées pour la recherche dans des domaines aussi différents que la chimie, la santé ou la production d'énergie, commercialisées ou en passe de l'être.
L'araignée fait fonctionner un microréacteur très sophistiqué permettant de produire le matériau nécessaire pour sa toile.
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